清华大学党智敏教授团队《自然·通讯》：共振频率可达200 Hz的丙烯酸酯弹性体|丙烯酸酯|党智敏|弹性体|清华大学|硅橡胶|联剂|聚合物|自然·通讯

介电弹性体是一种电活性聚合物，在Maxwell应力下可以产生显著的可逆形变，将电能转换为机械能，具有形变量大（>100%）、能量密度高、控制简单、便于人机交互等优势，在柔性驱动器领域获得广泛关注。介电弹性体作为驱动器的供能模块，其功率密度直接决定了驱动器的性能。目前常用的介电弹性体主要分为两大类：丙烯酸酯和硅橡胶。丙烯酸酯弹性体具有高能量密度，但响应频率低；硅橡胶弹性体则与之相反。因此，实现高功率密度（>100 W/kg）通常需要高驱动电场（>40 MV/m），这对器件的绝缘和操作安全提出高要求、限制了介电弹性体柔性驱动器的应用。介电弹性体的功率密度与驱动电场近似成4次方关系。如何实现低场下高功率密度是一个具有挑战性的问题。

清华大学电机系党智敏教授团队合成了丙烯酸酯双模网络，该不仅具有高介电常数和高能量密度的优势，还具备了高驱动频率（~200 Hz）和高功率密度（154 W/kg@20 MV/m），超过了哺乳动物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。此外，基于该先进材料制备的柔性无磁旋转电机，在19.6 MV/m、125 Hz的驱动电场下达到1245 rpm的最高转速。该弹性体通过紫外光固化合成，方法成熟简单、易于大规模生产，便于跨专业跨领域的学者参考。该工作以“A high-response-frequency bimodal network polyacrylate elastomer with ultrahigh power density under low electric field”为题发表在《Nature Communications》最新一期的（Nature Communications (2024) 15:9819）。文章的第一作者是清华大学电机系博士后尹丽娟博士。该研究得到国家自然科学基金委、中国博士后科学基金等项目的支持。

丙烯酸酯弹性体双模网络的构建

丙烯酸酯双模网络利用了分子量差异巨大的两种交联剂（2.8*104 g/mol和~516 g/mol）构建的，大分子量交联剂赋予弹性体高弹性和较低模量，少量的小分子量交联剂缩短交联点间平均分子量，加快应力传导速度，提高弹性体驱动响应频率特性。

丙烯酸酯双模网络的构建、微观结构、组成表征。a 弹性体制备过程示意图；b 网络合成反应示意图；c 弹性体凝胶含量和溶胀比，弹性体命名规则为LA表示反应单体丙烯酸十二烷基酯，C表示大分子交联剂CN9021NS，P表示小分子交联剂PEGDA，数字表示含量，1、2、3分别表示PEGDA含量为0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%；d DSC曲线，Tg为大分子交联剂的玻璃化转变温度，Tm为聚丙烯酸十二烷基酯链段的熔融温度；e WAXS图谱；f 双模网络结构示意图

功率特性和柔性旋转电机

该丙烯酸酯弹性体在保留丙烯酸酯弹性体高介电常数和高能量密度优势的同时具备了可比拟硅橡胶弹性体的低模量和高驱动频率（~200 Hz）。在低驱动电场下，该双模网络弹性体具有高功率密度（154 W/kg@20 MV/m，200 Hz），比10 Hz时高了75倍，超过了哺乳动物骨骼肌的典型值（50 W/kg）。更进一步，作者们基于该先进材料制备了柔性无磁旋转电机，测试了电机在不同驱动电场和频率下的转速特性。电机转速展示了多个共振峰，并在125 Hz附近达到最高转速，表明在该频率附近弹性体具有最高的输出功率。在19.6 MV/m、125 Hz的驱动电场下，该电机转速达到1245 rpm，远高于目前已报道的丙烯酸酯弹性体电机（<200 rpm, >40 MV/m）。